對此，IEEE Fellow，中國信息通信科技集團有限公司副總經(jīng)理、總工程師、專(zhuān)家委主任，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任，移動(dòng)通信及車(chē)聯(lián)網(wǎng)國家工程研究中心主任陳山枝在接受C114專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)指出，由于手機便攜性好且用戶(hù)基數大，手機直連衛星作為星地融合的潛在典型應用得到了業(yè)界的高度重視;但當前宣稱(chēng)的普通手機直連衛星通信是指在沒(méi)有蜂窩和WiFi覆蓋的情況下發(fā)送緊急救援短信，尚且不能實(shí)現無(wú)感知的連續通信;而傳統衛星手機能實(shí)現連續通話(huà)和中低速數據，卻是定制的，如銥星、Globalstar、Inmarsat等不兼容體制。與5G兼容的5G NTN星地融合標準方案可支持5G NTN手機直接接入衛星，也支持Ka/Ku的VSAT終端衛星通信行業(yè)應用，實(shí)現全球無(wú)縫移動(dòng)通信，既契合當下發(fā)展需求，也將為6G星地融合奠定基礎。
手機直連衛星由來(lái)已久，熱度再度興起依然面臨多重挑戰
在20世紀90年代，低軌道衛星通信(銥星系統)和地面蜂窩移動(dòng)通信(GSM)是競爭關(guān)系。
陳山枝介紹，手機直連衛星并不是新生事物，過(guò)去就有，最早的低軌衛星是銥星系統(Iridium)，77顆衛星拉開(kāi)低軌衛星通信的序幕，與地面蜂窩通信系統基本同期，銥星系統采用星上處理和星間鏈路技術(shù)，面向消費者，手持衛星終端(衛星手機)可以在地球任何地點(diǎn)提供無(wú)縫隙通信，并且解決了衛星網(wǎng)與地面蜂窩網(wǎng)之間的跨協(xié)議漫游。最終，如此“高科技含量”的銥星系統因為巨大的研發(fā)和系統建設費用申請破產(chǎn)，重組后轉向行業(yè)應用。而地面蜂窩移動(dòng)通信從2G一路發(fā)展到5G，用戶(hù)規模不斷擴大，商業(yè)十分成功。
當前，隨著(zhù)StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的衛星星座部署計劃逐步推進(jìn)，低軌衛星通信再度興起。衛星通信和地面蜂窩通信之間“融合”的呼聲也越來(lái)越高，陳山枝認為，其中的主要原因是技術(shù)進(jìn)步和需求變化。
技術(shù)方面，一是衛星發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，包括“一箭多星”、火箭回收利用等顛覆技術(shù)創(chuàng )新;二是衛星制造技術(shù)的進(jìn)步，包括材料、電源、加工技術(shù)的進(jìn)步;三是集成電路技術(shù)的進(jìn)步，衛星的小型化、模塊化、組件化，以及星上處理能力的增強;四是通信技術(shù)的進(jìn)步，隨著(zhù)3G、4G、5G代際演進(jìn)，大規模天線(xiàn)、毫米波技術(shù)、波束賦形等進(jìn)步，地面蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)也可以應用到衛星上。
需求方面，隨著(zhù)行業(yè)應用和人類(lèi)活動(dòng)范圍的拓展，衛星通信全球覆蓋和空間覆蓋的優(yōu)勢開(kāi)始顯現。到今天為止，地面移動(dòng)通信系統覆蓋的人口已經(jīng)超過(guò)70%，但是受制于技術(shù)經(jīng)濟因素，只覆蓋了20%的陸地面積，按地球表面積計算大概只有6%。隨著(zhù)行業(yè)發(fā)展，航空、遠洋、漁業(yè)、石油、環(huán)境監測、戶(hù)外越野活動(dòng)，還有國家戰略和軍事通信等，在廣域和空間覆蓋方面的需求十分強勁。
陳山枝認為，手機直連衛星意味著(zhù)衛星通信將在從行業(yè)應用市場(chǎng)進(jìn)入消費者市場(chǎng)。“但是，Starlink能夠取代甚至顛覆5G的說(shuō)法也是十分荒謬的。”陳山枝指出，衛星通信有很多局限性。首先是區域的無(wú)效覆蓋，三個(gè)高軌同步衛星就可以覆蓋全球，成百上千個(gè)低軌衛星相對地面是高速運動(dòng)的，只能均勻覆蓋，而很多區域無(wú)效的，因為實(shí)際上并沒(méi)有用戶(hù);第二，衛星信號無(wú)法覆蓋室內及有立交橋和山體樹(shù)林遮擋的室外;第三，衛星終端的小型化和天線(xiàn)間的矛盾，特別是人們已習慣于普通手機的內置天線(xiàn)(用戶(hù)無(wú)感)，而目前的商用衛星手機還是外置天線(xiàn);第四，衛星通信頻譜效率遠低于蜂窩移動(dòng)通信，StarLink的下行頻譜效率是2.27bit/s/Hz，只達到3G水平，而5G的下行鏈路平均頻譜效率是10 bit/s/Hz以上。最后也是最重要的，因為涉及衛星制造、衛星發(fā)射、地面設備、衛星運營(yíng)及服務(wù)等諸多環(huán)節，每顆通信衛星的建設和運維成本十倍甚至數百倍于地面基站，所以通信資費一定會(huì )高于5G地面蜂窩通信。
衛星通信系統跟地面蜂窩移動(dòng)通信系統相比，主要技術(shù)差異和挑戰表現在：1)衛星信道和地面信道的傳播特性不同，衛星通信傳播距離遠，信號傳播路徑損耗大，且傳輸時(shí)延大，帶來(lái)鏈路預算、時(shí)序關(guān)系和傳輸方案的挑戰;2)衛星高速移動(dòng)，引發(fā)時(shí)間同步跟蹤性能、頻率同步跟蹤(多普勒效應)、移動(dòng)性管理(頻繁波束切換和星間切換)、調制解調性能等挑戰。如手機到地面基站只有幾百米到公里級，5G能支持500km/h終端移動(dòng)速度;而低軌衛星離地面手機約300到1500km，衛星相對地面移動(dòng)速度約7.7到7.1km/s，超過(guò)25000km/h。
至于A(yíng)ST公司宣稱(chēng)的“把目前每部智能手機變成一部衛星電話(huà)，在世界任何地方都可以寬帶上網(wǎng)”。陳山枝認為，AST試圖將現有存量4G或5G普通手機不作改動(dòng)直連接入衛星，由于沒(méi)有針對上述技術(shù)挑戰做任何系統優(yōu)化，存量手機沒(méi)有足夠的定時(shí)和頻率補償能力，所有問(wèn)題的解決都需要在衛星上實(shí)現上，存在復雜度高、成本高、系統容量有限、低軌衛星的軌道高度也受限等缺點(diǎn)。另外，4G和5G手機的內置天線(xiàn)發(fā)射功率有限，典型值200mW，因此AST需要約64平方米超大規模相控陣天線(xiàn)，通過(guò)陣列天線(xiàn)增益去補償普通手機遠距離接入衛星的鏈路損耗，但超大規模相控陣天線(xiàn)造成了重量、體積、功耗、成本等方面的挑戰與問(wèn)題。
從辯證的角度看衛星通信，包括手機直連衛星，就5G的應用場(chǎng)景而言，兩者存在很大的互補性。5G主要服務(wù)于普通城市和鄉鎮用戶(hù);衛星通信的優(yōu)勢是偏遠地區及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆蓋以及地震海嘯救災時(shí)應急通信，在農林牧漁業(yè)的應用前景值得期待。另外，對于偏遠地區的移動(dòng)通信需求，我國三大運營(yíng)商在村村通和普遍服務(wù)上是在全球做得最好的，既考慮了營(yíng)收和利潤，也兼顧了社會(huì )公平;即使在發(fā)達的西方國家的偏遠地區，以及在東南亞、非洲、南美的一些發(fā)展中國家，地面移動(dòng)通信覆蓋比較差，因而衛星系統對手機直連衛星通信服務(wù)是有很大市場(chǎng)發(fā)展空間的。另外，除了手機直連衛星以外，5G對許多行業(yè)應用由于覆蓋成本等因素難以實(shí)現，而寬帶衛星終端、衛星物聯(lián)網(wǎng)終端等潛在行業(yè)應用廣泛。
陳山枝認為，衛星通信復用蜂窩移動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈，降低衛星通信產(chǎn)業(yè)成本，并實(shí)現兩者間的覆蓋和服務(wù)互補，衛星通信和地面蜂窩通信有機融合是發(fā)展趨勢。因此，衛星通信與地面移動(dòng)通信在5G/6G走向互補，共同構建覆蓋全球的星地融合移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )成為大勢所趨。
5G NTN更具先進(jìn)性，也將為6G星地融合奠定基礎
從2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力開(kāi)展并推動(dòng)基于5G體制的衛星通信探索，3GPP 開(kāi)始將衛星網(wǎng)絡(luò )劃入非地面網(wǎng)絡(luò )(NTN)開(kāi)展研究與標準化，針對星地融合的上述技術(shù)挑戰，開(kāi)展了包括定時(shí)關(guān)系增強、時(shí)間和頻率的補償、針對大無(wú)線(xiàn)環(huán)回時(shí)延(RTT)的HARQ改進(jìn)機制、移動(dòng)性管理與切換增強等技術(shù)優(yōu)化，這些舉措拉開(kāi)了衛星通信體制與地面蜂窩通信體制走向融合的序幕。
陳山枝指出，5G在設計之初并沒(méi)有考慮衛星通信，3GPP R15版本是5G第一個(gè)商用版本。隨著(zhù)技術(shù)和需求的演進(jìn)，衛星通信的研究與標準化在R17 NTN才開(kāi)始啟動(dòng)，這就決定了星地融合在5G是體制兼容，即在已有5G標準的技術(shù)框架下實(shí)現星地融合的優(yōu)化。但5G具有技術(shù)先進(jìn)且成熟、產(chǎn)業(yè)鏈完整、規模經(jīng)濟等優(yōu)勢，低軌衛星通信與5G兼容，能夠利用和分享5G的產(chǎn)業(yè)鏈和規模經(jīng)濟效應。并且，5G NTN星地融合方案應該比現有存量5G普通手機直連接入衛星的技術(shù)方案要優(yōu)化，實(shí)現復雜度要低、建設和運維成本也要低，系統容量要大，更具有先進(jìn)性。
因此，陳山枝早在2020年就建議當前我國應該建設和發(fā)展與5G兼容的衛星互聯(lián)網(wǎng)(具體可查閱陳山枝在2020年第六期《電信科學(xué)》上發(fā)表的論文《關(guān)于低軌衛星通信的分析及我國的發(fā)展建議》)，5G NTN支持GEO/MEO/LEO場(chǎng)景，支持Ka/Ku/S等各種可用頻段，終端類(lèi)型包括VSAT終端和普通手機終端，實(shí)現全球無(wú)縫移動(dòng)通信。一方面，契合手機更迭周期短的特點(diǎn)，人們更換新手機就可實(shí)現，又能滿(mǎn)足行業(yè)應用需求;另一方面，該方案將為我國引領(lǐng)6G星地融合奠定堅實(shí)的基礎。
陳山枝指出，6G在設計之初就考慮星地融合，能在系統級上實(shí)現星地融合的優(yōu)化，因此6G星地融合將是系統融合。在6G時(shí)代，陸地移動(dòng)通信跟高、中、低軌衛星的有機融合，實(shí)現任何人、任何地點(diǎn)、在任何時(shí)間無(wú)縫全球覆蓋和接入。需要對衛星、升空平臺、無(wú)人機、地面蜂窩等組成異構接入，設計包含統一空口傳輸、統一接入控制、統一認證和統一組網(wǎng)協(xié)議，以用戶(hù)為中心的智能網(wǎng)絡(luò )架構，支持終端在星地間無(wú)縫切換，滿(mǎn)足不同部署場(chǎng)景和多樣化的業(yè)務(wù)需求。
陳山枝早在2020年就發(fā)表相關(guān)論文，“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G: How to Tackle the Challenges of System Coverage, Capacity, User Data-Rate and Movement Speed”(IEEE Wireless Comm., April 2020)提出了星地融合是6G的重要方向，已是ESI高被引論文。System Integration of Terrestrial mobile communication and Satellite communication ---- the trends, challenges and key technologies in B5G and 6G (China Communications, Dec. 2020)進(jìn)一步提出了“5G兼容”走向“6G融合”的星地融合移動(dòng)通信演進(jìn)路徑和關(guān)鍵技術(shù)。
陳山枝進(jìn)一步指出，6G“星地融合”移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)多維復雜的“巨系統”，是多個(gè)異構接入網(wǎng)絡(luò )融合，具有多層立體、動(dòng)態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)。多層復雜跨域組網(wǎng)導致網(wǎng)絡(luò )架構設計困難，大尺度空間傳播環(huán)境導致傳輸效率低，衛星的高速運動(dòng)會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )拓撲高動(dòng)態(tài)變化和移動(dòng)性管理挑戰，進(jìn)而導致業(yè)務(wù)質(zhì)量和通信連續性難以保障。
對于6G星地融合組網(wǎng)所面臨的巨大挑戰，陳山枝提出關(guān)鍵技術(shù)突破的四個(gè)方向：
在6G星地融合的網(wǎng)絡(luò )架構方面，需研究衛星與地面蜂窩通信架構的統一設計。一是通過(guò)設計彈性可重構的靈活網(wǎng)絡(luò )架構，實(shí)現星地網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò )功能的柔性分割;二是通過(guò)設計高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò )管理架構，提高星地融合網(wǎng)絡(luò )中的資源管理效率。
在6G星地融合的空口傳輸方面，需研究衛星與地面蜂窩通信的統一無(wú)線(xiàn)空口設計方案，支持多種業(yè)務(wù)傳輸，讓終端可以極致簡(jiǎn)單地接入最合適的星地網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。
在6G星地融合的組網(wǎng)技術(shù)方面，需主要研究小區間頻率規劃、多層網(wǎng)絡(luò )間自適應路由和星地星間無(wú)縫切換、星地一體多級邊緣計算任務(wù)遷移等。
在6G星地融合的頻率管理方面，需研究基于統一管理的網(wǎng)絡(luò )頻譜資源、星地間頻譜的協(xié)調管理機制。通過(guò)頻譜共享和干擾管理方案，提高頻譜資源利用率。
陳山枝介紹，中國信科及其無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗室是星地融合移動(dòng)通信的重要技術(shù)貢獻者，也是5G衛星移動(dòng)通信技術(shù)的引領(lǐng)者、6G星地融合關(guān)鍵技術(shù)的儲備者。中國信科在我國衛星互聯(lián)網(wǎng)新基建中正發(fā)揮著(zhù)重要作用，積極開(kāi)展透明轉發(fā)和星上處理衛星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，帶領(lǐng)業(yè)界率先完成了業(yè)界首套5G融合體制的衛星互聯(lián)網(wǎng)系統標準體系和關(guān)鍵設備研制，為國家衛星移動(dòng)通信重大工程的建設提供技術(shù)支撐。在2020年和2021年連續兩年向業(yè)界發(fā)布了“全域覆蓋、場(chǎng)景智聯(lián)”的6G白皮書(shū);承擔了多項重點(diǎn)研發(fā)計劃課題，聯(lián)合業(yè)界積極開(kāi)展6G愿景與需求的研究、6G關(guān)鍵技術(shù)的研究與驗證，為后續的6G標準化工作做好前期儲備工作。
